ऊष्मीय विद्युत उत्पादन में कपलिंग: स्टीम टर्बाइन ड्राइव सिस्टम के लिए सटीक शाफ्ट कनेक्शन

थर्मल पावर स्टेशन में, मैकेनिकल शाफ्ट कपलिंग का आकार आकार में बहुत छोटा होता है, फिर भी इसके परिणाम इसके आकार के अनुपात से कहीं अधिक महत्वपूर्ण होते हैं। जब 3,000 आरपीएम या उससे अधिक की गति से घूमने वाला स्टीम टरबाइन सिंक्रोनाइज्ड एसी जनरेटर को सैकड़ों मेगावाट घूर्णी ऊर्जा प्रदान करता है, तो ड्राइव ट्रेन का प्रत्येक घटक निरंतर यांत्रिक तनाव में रहता है। कपलिंग तापीय विस्तार के कारण उत्पन्न होने वाले मिसअलाइनमेंट को अवशोषित करता है, लोड स्विचिंग के दौरान टॉर्शनल शॉक को कम करता है, और 100,000 घंटों से अधिक के परिचालन जीवन चक्र के लिए बिना किसी रखरखाव के इन स्थितियों को सहन करने में सक्षम होता है - यह एक ऐसा मानक है जो अब यूनाइटेड किंगडम में नेशनल ग्रिड से जुड़े उत्पादन संयंत्रों के इंजीनियरिंग विनिर्देशों में शामिल है।

ब्रिटिश विद्युत अभियांत्रिकी की कुछ विशिष्ट आवश्यकताएँ हैं जो अन्य वैश्विक बाजारों से भिन्न हैं। कोयला आधारित पुरानी विद्युत संयंत्रों को गैस या हाइड्रोजन सह-दहन विन्यासों में परिवर्तित करने के लिए ऐसे युग्मनों की आवश्यकता होती है जो परिवर्तनीय भार चक्रण के अनुकूल हों, जो मूल डिजाइन का हिस्सा नहीं था। टीसाइड ऊर्जा क्लस्टर से लेकर आइल ऑफ ग्रेन तक के अपतटीय और तटीय स्थलों पर संक्षारक लवणयुक्त वातावरण पाया जाता है। परिणामस्वरूप, युग्मन विनिर्देश यांत्रिक, धातुकर्म और पर्यावरणीय तीनों ही दृष्टियों से महत्वपूर्ण हैं - और ऐसे में तकनीकी रूप से सक्षम आपूर्तिकर्ता के साथ साझेदारी अनिवार्य है।

थर्मल पावर टरबाइन कपलिंग एक सरल सिद्धांत पर काम करता है: दो शाफ्ट स्टब्स एक मध्यवर्ती तत्व के माध्यम से जुड़े होते हैं जो टरबाइन रोटर और जनरेटर शाफ्ट की सेंटरलाइन के बीच अपरिहार्य अंतर को समायोजित करते हुए टॉर्क संचारित करता है। व्यवहार में, यह अंतर कई एक साथ होने वाले कारणों से उत्पन्न होता है। 300°C और 565°C के बीच परिचालन तापमान पर टरबाइन केसिंग के थर्मल विस्तार के कारण टरबाइन शाफ्ट स्थापना के दौरान प्राप्त ठंडी अवस्था संरेखण के सापेक्ष अक्षीय और रेडियल रूप से विस्थापित हो जाता है। नींव के धंसने से संयंत्र के सेवा जीवनकाल में कोणीय विचलन उत्पन्न होता है। बेयरिंग घिसाव के कारण जर्नल सेंटरलाइन मिलीमीटर के अंशों तक खिसक जाती है - निरपेक्ष रूप से यह छोटा है, लेकिन जब इसे दसियों टन वजनी रोटर पर लागू किया जाता है जो क्रांतिक गति से ऊपर घूम रहा होता है, तो इसका प्रभाव महत्वपूर्ण होता है।

गियर-प्रकार के कपलिंग शाफ्ट हब पर क्राउन वाले गियर दांतों के माध्यम से इन स्थितियों का समाधान करते हैं, जो एक फ्लैंग्ड स्लीव के अंदर आपस में जुड़ते हैं। क्राउन प्रोफाइल गियर दांतों को कोणीय विचलन (आमतौर पर ±1.5° तक) के तहत थोड़ा हिलने की अनुमति देता है, जबकि टॉर्क संचरण के लिए पूर्ण-सतह संपर्क बनाए रखता है। स्लीव में अक्षीय फ्लोट रैखिक विस्तार को समायोजित करता है। तेल-चिकनाई वाले गियर जाल कई दांतों पर एक साथ संपर्क तनाव वितरित करते हैं, जिससे एक कॉम्पैक्ट आकार में उच्च शक्ति घनत्व उत्पन्न होता है। यह डिज़ाइन बताता है कि बीसवीं शताब्दी के मध्य से ब्रिटिश पावर स्टेशनों में टरबाइन अनुप्रयोगों में गियर कपलिंग का वर्चस्व क्यों रहा है और ईडीएफ एनर्जी के हिंकले और डंगेनेस पोर्टफोलियो से लेकर ग्रेन में यूनिपर और ब्रिग में सेंट्रिका द्वारा संचालित नए सीसीजीटी सुविधाओं तक के नवीनीकरण अनुबंधों में इनका उपयोग जारी है।

मुख्य संरचनात्मक सामग्रियों के अलावा, स्लीव असेंबली में सिंथेटिक या खनिज गियर तेलों का उपयोग किया जाता है जिनमें अत्यधिक दबाव वाले योजक तत्व होते हैं। ये स्नेहक, सटीक लिप सील या भूलभुलैया-शैली के एंड कवर द्वारा रोके जाते हैं, और हाइड्रोडायनामिक फिल्म बनाते हैं जो सामान्य संचालन के दौरान क्राउन गियर के दांतों को अलग करती है। तेल का चयन - श्यानता ग्रेड, पोर पॉइंट और ईपी योजक पैकेज - संयंत्र की परिवेशीय परिचालन सीमा के अनुरूप किया जाता है, जो यॉर्कशायर या स्कॉटिश लो लैंड्स में स्थित संयंत्र के लिए लगभग हिमांक बिंदु के स्थिर तापमान से लेकर पूर्ण भार तापीय संतुलन तक विश्वसनीय रूप से कार्य करना आवश्यक है। जहां आग लगने का खतरा या जलमार्गों में पर्यावरणीय रिसाव चिंता का विषय है, वहां जैव-अपघटनीय सिंथेटिक पॉलीएल्काइलीन ग्लाइकॉल स्नेहक अब पसंदीदा विनिर्देश हैं, विशेष रूप से पर्यावरण एजेंसी के लाइसेंसिंग शर्तों के तहत संचालित तटीय संयंत्रों के लिए।

बाहरी सतहों के संक्षारण संरक्षण के लिए, ऑक्साइड-फॉस्फेट रूपांतरण कोटिंग को प्राइमर के रूप में और उच्च-निर्माण एपॉक्सी टॉपकोट का उपयोग किया जाता है, जो तटीय विद्युत स्टेशन वातावरण के लिए ISO 12944 में परिभाषित C4 या C5 वायुमंडलीय संक्षारण श्रेणियों को पूरा करता है। यह संयोजन ब्रिटेन की समुद्री जलवायु में प्रभावी सिद्ध हुआ है, चाहे वह उत्तरी सागर के हवा के संपर्क में आने वाले तटीय संयंत्र हों या अंतर्देशीय घाटी स्थल, जहां संघनन चक्र ग्रिड-संतुलन आउटेज के दौरान निष्क्रिय रहने वाले संयंत्रों पर लगातार नमी का संपर्क बनाए रखते हैं।

बायोमास को-फायरिंग और अपशिष्ट-से-ऊर्जा अनुप्रयोग - उत्तरी यॉर्कशायर के ड्रैक्स पावर कॉम्प्लेक्स और बर्मिंघम और मैनचेस्टर के आसपास संचालित ऊर्जा पुनर्प्राप्ति संयंत्रों सहित सुविधाओं में एक बढ़ता हुआ क्षेत्र - एक विविध चुनौती पेश करते हैं। अपशिष्ट-से-ऊर्जा बॉयलर में ईंधन की परिवर्तनशीलता आवधिक भाप दबाव में उतार-चढ़ाव पैदा करती है, जो उप-तुल्यकालिक आवृत्तियों पर मरोड़ संबंधी गड़बड़ी में परिणत होती है। यदि ये उत्तेजना आवृत्तियाँ कपलिंग-टर्बाइन-जनरेटर शाफ्ट प्रणाली की मरोड़ प्राकृतिक आवृत्ति के साथ मेल खाती हैं, तो मरोड़ अनुनाद विकसित हो सकता है, जिससे सामान्य से कई गुना अधिक दर पर थकान क्षति संचित हो सकती है। इन अनुप्रयोगों के लिए कपलिंग आपूर्तिकर्ताओं को गणना या माप द्वारा प्रमाणित मरोड़ कठोरता डेटा प्रदान करना होगा ताकि संयंत्र का घूर्णन मशीनरी इंजीनियर उत्तेजना और अनुनाद आवृत्तियों के बीच पृथक्करण मार्जिन को सत्यापित कर सके। खरीद प्रक्रिया के हिस्से के रूप में प्रदान किया जाने वाला यह विश्लेषणात्मक समर्थन, न कि बिक्री के बाद की सेवा के रूप में, तकनीकी रूप से सक्षम कपलिंग निर्माताओं को केवल कैटलॉग वितरकों से अलग करता है।

परमाणु संयंत्रों से संबंधित या सुरक्षा संबंधी अनुप्रयोगों के लिए — जैसे कि ब्रिटेन भर में परमाणु लाइसेंस प्राप्त स्थलों पर क्लास 1E बिजली प्रदान करने वाले आपातकालीन डीजल जनरेटर — कपलिंग को BS EN 62003 या समकक्ष परमाणु उद्योग मानकों के तहत भूकंपीय योग्यता आवश्यकताओं का भी अनुपालन करना होगा। हालांकि ये अनुप्रयोग थर्मल पावर जनरेशन की सटीक परिभाषा से बाहर हैं, लेकिन इनमें कपलिंग इंजीनियरिंग के समान बुनियादी सिद्धांत लागू होते हैं और विनिर्देशों का दायरा निर्दिष्ट कृत्रिम भूकंपीय परीक्षण स्तरों के तहत प्रदर्शित प्रदर्शन को शामिल करने के लिए विस्तारित होता है, जो ब्रिटिश बिजली उत्पादन क्षेत्र के लिए आवश्यक कपलिंग इंजीनियरिंग ज्ञान की व्यापकता को और अधिक दर्शाता है।

ब्रिटिश विद्युत उत्पादन क्षेत्र में आपूर्ति श्रृंखला की विश्वसनीयता उत्पाद की गुणवत्ता जितनी ही महत्वपूर्ण है, क्योंकि यहाँ रखरखाव के लिए निर्धारित समय कई महीने पहले ही तय कर लिया जाता है और किसी भी तरह की देरी से संयंत्र के उत्पादन लाइसेंस धारक को प्रत्यक्ष लागत और प्रतिष्ठा संबंधी जोखिम दोनों का सामना करना पड़ता है। एवर पावर सबसे आम विद्युत उत्पादन आकार श्रेणियों में अर्ध-तैयार हब और स्लीव ब्लैंक का एक प्रबंधित स्टॉक बनाए रखती है, जिससे कम समय में प्रतिस्थापन कपलिंग की आवश्यकता होने पर त्वरित मशीनिंग संभव हो पाती है। OEM टरबाइन कपलिंग के अप्रचलित होने के मामलों में - जो कि मिडलैंड्स और उत्तर पूर्व में 1970 और 1980 के दशक के पुराने संयंत्रों के जीवनकाल विस्तार नवीनीकरण के दौरान आम बात है - एवर पावर की रिवर्स-इंजीनियरिंग क्षमता आयामी रूप से समतुल्य प्रतिस्थापन कपलिंग का उत्पादन करती है, जिसमें सामग्री और विनिर्माण में सुधार किए जाते हैं, जिससे प्रतिस्थापन का सेवा अंतराल आमतौर पर मूल डिज़ाइन से आगे बढ़ जाता है।

यूके परियोजनाओं के लिए एवर पावर की आपूर्ति श्रृंखला वेस्ट मिडलैंड्स और ईस्ट मिडलैंड्स में स्थापित समेकन केंद्रों के साथ स्थापित माल ढुलाई साझेदारियों के माध्यम से संचालित होती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि बिजली संयंत्र स्थलों तक सीमा शुल्क-मुक्त डिलीवरी सुनिश्चित हो, और यूके के ग्राहकों को सीधे आयात प्रक्रियाओं से गुजरने की आवश्यकता न पड़े। व्यापक दस्तावेज़ किट - जिसमें लागू होने पर सीई निगमन घोषणा पत्र, सामग्री प्रमाण पत्र, एनडीटी रिपोर्ट, आयामी रिकॉर्ड और संतुलन प्रमाण पत्र शामिल हैं - प्रत्येक ऑर्डर के साथ मानक रूप से तैयार और भेजे जाते हैं, अनुरोध पर नहीं। यह दस्तावेज़ीकरण संस्कृति एवर पावर की इस समझ को दर्शाती है कि यूके के संयंत्र इंजीनियर और रखरखाव प्रबंधक अपनी परिसंपत्ति प्रबंधन प्रणालियों, अपने एचएसई दायित्वों और अपनी परिचालन कंपनियों के इंजीनियरिंग मानकों के प्रति जवाबदेह हैं, और अपूर्ण दस्तावेज़ीकरण से ऐसा जोखिम उत्पन्न होता है जिसे जिम्मेदार इंजीनियर घटक की भौतिक गुणवत्ता की परवाह किए बिना स्वीकार नहीं कर सकते।

उत्तर-पूर्व के प्रमुख औद्योगिक क्षेत्रों में से एक, टीसाइड स्थित 450 मेगावाट के संयुक्त-चक्र गैस टरबाइन संयंत्र में, जो 1990 के दशक के गैस संकट के बाद से ब्रिटिश ऊर्जा उत्पादन का केंद्र रहा है, नियमित स्थिति निगरानी समीक्षा के दौरान गैस टरबाइन और जनरेटर के बीच युग्मन तल पर कंपन में क्रमिक वृद्धि देखी गई। संयंत्र की रखरखाव इंजीनियरिंग टीम ने सात महीनों की अवधि में युग्मन के समीपस्थ बेयरिंग पर कंपन आयाम में 1x की धीमी वृद्धि देखी, जिसके परिणामस्वरूप अंततः ISO 7919-2 सीमा के 125% पर अलार्म बज गया।

दस दिनों के नियोजित संयंत्र बंद के दौरान कपलिंग के बोरोस्कोप निरीक्षण से मूल कपलिंग हब के क्राउन वाले दांतों के किनारों पर लगातार घिसावट का पता चला। यह घिसावट लुब्रिकेशन सिस्टम के छिद्र में रुकावट के कारण हुई थी, जिससे कपलिंग कैविटी में तेल का प्रवाह डिज़ाइन न्यूनतम स्तर से नीचे चला गया था। कपलिंग स्लीव की स्थिति ठीक थी, लेकिन दोनों हब को बदलने की आवश्यकता थी। संयंत्र की खरीद टीम ने मूल कपलिंग ड्राइंग पैकेज के साथ एवर पावर से संपर्क किया और मूल डिज़ाइन में देखी गई लुब्रिकेशन संवेदनशीलता को दूर करने के लिए विनिर्माण समीक्षा का अनुरोध किया।

एवर पावर की इंजीनियरिंग टीम ने मूल विनिर्देश की समीक्षा की और आयामी प्रतिस्थापन के साथ-साथ दो संशोधन प्रस्तावित किए: गियर के दांतों की क्राउन त्रिज्या को मूल मान से थोड़ा अधिक बढ़ाना, जिससे पीक हर्ट्ज़ियन संपर्क तनाव लगभग 12% तक कम हो गया और कम स्नेहन फिल्म मोटाई के प्रति सहनशीलता में सुधार हुआ; और कपलिंग की परिचालन घूर्णी गति पर संपूर्ण गियर दांत संपर्क क्षेत्र में स्नेहक के वितरण को बेहतर बनाने के लिए बोर तेल आपूर्ति ग्रूव ज्यामिति का उन्नयन करना। संशोधित हब 42CrMo4 स्टील से निर्मित किए गए थे, जिन्हें Rm 1,000 MPa तक ऊष्मा-उपचारित किया गया था, 1.2 मिमी की केस गहराई तक कार्बराइज्ड किया गया था, और 3,000 rpm पर G1.0 पर गतिशील रूप से संतुलित किया गया था। पूर्ण दस्तावेजीकरण — EN 10204 3.1 प्रमाणपत्र, आयामी रिकॉर्ड, NDT रिपोर्ट और संतुलन चार्ट — ऑर्डर के हिस्से के रूप में प्रदान किया गया था।

टरबाइन की स्थापना और पुनः चालू होने के बाद, कपलिंग बेयरिंग पर 1x कंपन आयाम पूर्व-दोषी स्तर से 18% नीचे आ गया — जिससे यह पुष्टि होती है कि मूल डिज़ाइन स्नेहन विफलता से पहले थोड़े बढ़े हुए संरेखण-प्रेरित कंपन के साथ काम कर रहा था। संयंत्र ने तब से कपलिंग से संबंधित कोई अलार्म बजाए बिना चौदह महीने का निरंतर संचालन पूरा कर लिया है, और अगली कपलिंग जांच को इकाई के लिए नियोजित दस वर्षीय प्रमुख ओवरहाल के साथ करने का कार्यक्रम निर्धारित किया गया है।

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